專利名稱：風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀及風(fēng)速探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種低成本高精度的風(fēng)速儀，尤其涉及一種風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀。
背景技術(shù)：
風(fēng)能是一種可再生、無污染的綠色能源，是取之不盡、用之不竭的，而且儲(chǔ)量十分豐富。據(jù)估計(jì)，全球可利用的風(fēng)能總量在53000TW*h/年。風(fēng)能的大規(guī)模開發(fā)利用，將會(huì)有效減少石化能源的使用、減少溫室氣體排放、保護(hù)環(huán)境。大力發(fā)展風(fēng)能已經(jīng)成為各國政府的
重要選擇。風(fēng)電場選址往往在沙漠、沿海等偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力、交通等設(shè)施都不健全，因此在風(fēng)速檢測裝置安裝時(shí)必須考慮到布線、遠(yuǎn)程檢測問題，傳感器安裝受到最大的制約也是地理位置以及供電等問題。目前國內(nèi)針對風(fēng)速檢測的電子產(chǎn)品研究比較多，但是這些產(chǎn)品依賴于供電、太陽能等，信號傳輸、抗干擾能力和長期穩(wěn)定性也存在難以克服的問題。目前常用風(fēng)速風(fēng)向檢測手段有畢托管測風(fēng)速、熱線熱膜測風(fēng)速風(fēng)向、超聲波測風(fēng)速風(fēng)向、機(jī)械式傳感器測風(fēng)速風(fēng)向等。這些傳感器均需要在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行供電，很難滿足遠(yuǎn)距離傳輸，特別是幾公里甚至幾十公里遠(yuǎn)的在線檢測。光柵式光纖風(fēng)速儀(申請?zhí)?01010135453. 7)能夠滿足遠(yuǎn)距離傳輸，是光纖傳感技術(shù)在風(fēng)速檢測上的一次成功應(yīng)用，但是實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)其檢測精度不夠高。傳統(tǒng)風(fēng)杯式風(fēng)速儀采用線圈切割磁力線的方式，一般電信號每1. 5個(gè)脈沖信號代表lm/s的風(fēng)速，同樣光柵式光纖風(fēng)速儀(申請?zhí)?01010135453. 7)在風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)為一個(gè)方波脈沖光信號， 因此二者精度均不高。風(fēng)速傳感器有杯形和翼形兩種。風(fēng)杯風(fēng)速計(jì)感應(yīng)部分一般由三個(gè)半球形或拋物錐形空心杯殼組成，杯殼固定在互成120度的三叉型支架上。杯的凹面順著一個(gè)方向排列，整個(gè)橫臂架固定在一根垂直的旋轉(zhuǎn)軸上。在風(fēng)力作用下風(fēng)杯受到扭力矩的作用而開始旋轉(zhuǎn)， 它的轉(zhuǎn)速和風(fēng)速成一定的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過多齒轉(zhuǎn)盤下面的光敏三極管狀態(tài)就能得到與風(fēng)杯轉(zhuǎn)速成正比的頻率信號，經(jīng)換算即可得出實(shí)際風(fēng)速值。然而以上檢測方式都有很大的弊端，畢托管式對狂風(fēng)測不準(zhǔn)，儀器本身對流場會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，全壓孔需正對風(fēng)向，不利于測量自然風(fēng)，不能遠(yuǎn)程監(jiān)測；熱膜熱偶式傳感器在高風(fēng)速時(shí)誤差明顯增大，用溫度測量相應(yīng)時(shí)間較長，三角函數(shù)法測量風(fēng)向，受風(fēng)速大小影響， 而且也不能遠(yuǎn)程監(jiān)測；超聲波法檢測風(fēng)速優(yōu)點(diǎn)是無慣性測量，但是信號較弱，大風(fēng)造成信號大幅度衰減，逆風(fēng)信號捕捉困難，也不能遠(yuǎn)程檢測；機(jī)械式檢測，線性關(guān)系好，抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)，響應(yīng)快、精度好，但是怕雷擊和電磁干擾，遠(yuǎn)程檢測時(shí)需要中繼站和供電措施，不利于遠(yuǎn)程檢測。
發(fā)明內(nèi)容本專利采用光纖傳感技術(shù)，大大增加了傳感器的傳輸距離，當(dāng)?shù)責(zé)o需供電，采用低成本器件極大地降低了傳感器成本，采用碼盤斬波結(jié)構(gòu)，提高了檢測精度。一種風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，它包括激光器以及與之光連接的光纖耦合器和風(fēng)速儀探頭，光纖耦合器還與光電探測器光連接，光電探測器與信號處理電路電連接，其特征是所述風(fēng)速儀探頭包括轉(zhuǎn)軸以及共同設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上的風(fēng)杯和碼盤，靠近碼盤邊緣設(shè)置至少一個(gè)通光孔，在碼盤上下兩側(cè)正對通光孔設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和相應(yīng)的反射鏡。本方案的具體特點(diǎn)還有，激光器是F-P激光器、DFB激光器或者寬帶光源。對波長以及帶寬沒有太大要求，激光能夠滿足在光纖中長距離傳輸?shù)木梢圆捎?。所述通光孔在碼盤上均勻設(shè)置一圈，全部通光孔圓心位于以轉(zhuǎn)軸軸心為圓心的同心圓上，準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。所述碼盤上的通光孔數(shù)目為100個(gè)。一種風(fēng)速探頭，它包括轉(zhuǎn)軸，其特征是在靠近設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上的碼盤邊緣碼盤邊緣設(shè)置至少一個(gè)通光孔，在碼盤上下兩側(cè)正對通光孔設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和相應(yīng)的反射鏡。本方案的具體特點(diǎn)還有，在轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有風(fēng)杯。所述通光孔在碼盤上均勻設(shè)置一圈，全部通光孔圓心位于以轉(zhuǎn)軸軸心為圓心的同心圓上，準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。所述碼盤上的通光孔數(shù)目為100個(gè)。準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。這樣才能夠使得碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成對激光的斬波效果。碼盤在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使得發(fā)射回的激光強(qiáng)度發(fā)生變化，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后形成一些列方波，方波的個(gè)數(shù)或者方波的周期直接與風(fēng)速相關(guān)，因此可以計(jì)算出風(fēng)速值。本專利采用碼盤一定范圍內(nèi)通光孔越多，則風(fēng)速儀精度越高。例如當(dāng)通光孔個(gè)數(shù)為100個(gè)時(shí)，較傳統(tǒng)風(fēng)杯式風(fēng)速儀的每1米每秒的風(fēng)速增加1. 5個(gè)脈沖，則本專利每1米每秒的風(fēng)速增加150個(gè)脈沖，精度提高100倍；同樣，光柵式光纖風(fēng)速儀(申請?zhí)?201010135453. 7)風(fēng)杯每轉(zhuǎn)動(dòng)1周產(chǎn)生1個(gè)脈沖，而本專利產(chǎn)生100個(gè)，精度可提高100倍。

圖1為風(fēng)杯式光纖風(fēng)速遠(yuǎn)程檢測儀系統(tǒng)原理圖；圖2為探頭結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 碼盤示意圖；圖4 碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)形成的光電轉(zhuǎn)換后的方波信號圖。圖中1-風(fēng)杯；2-固定軸承；3-碼盤；4-準(zhǔn)直器固定支架；5-反射鏡；6_光纖準(zhǔn)直器；7-轉(zhuǎn)軸；8-光纖尾纖；9-軸孔；10-通光孔。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖2所示，一種風(fēng)速探頭，它包括轉(zhuǎn)軸7，在靠近設(shè)置于轉(zhuǎn)軸7上的碼盤3邊緣均勻設(shè)置一圈通光孔10，全部通光孔10圓心位于以轉(zhuǎn)軸7軸心為圓心的同心圓上；在碼盤 3上下兩側(cè)設(shè)置光纖準(zhǔn)直器6和相應(yīng)的反射鏡5，光纖準(zhǔn)直器6發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。在轉(zhuǎn)軸7上設(shè)置有風(fēng)杯1。所述碼盤3上的通光孔10數(shù)目為 100個(gè)。在光纖準(zhǔn)直器6上連接有光纖尾纖8。風(fēng)場對風(fēng)杯1施加壓力造成風(fēng)杯1旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速越高旋轉(zhuǎn)越快；風(fēng)杯1與轉(zhuǎn)軸7固定在一起，因此轉(zhuǎn)軸7隨風(fēng)杯轉(zhuǎn)動(dòng)；轉(zhuǎn)軸7由上下兩個(gè)固定軸承2固定；轉(zhuǎn)軸7上固定有一個(gè)碼盤3，當(dāng)風(fēng)場帶動(dòng)風(fēng)杯1旋轉(zhuǎn)時(shí)，碼盤3隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)速越快，轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快。實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1相同之處不再贅述，不同之處在于如圖1所示，它是一種風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，它包括激光器以及與之光連接的光纖耦合器和風(fēng)速儀探頭，光纖耦合器還與光電探測器光連接，光電探測器與信號處理電路電連接，激光器發(fā)出的光經(jīng)過光纖耦合器，通過光纜傳輸?shù)斤L(fēng)速探頭，風(fēng)速探頭返回的光信號原路經(jīng)過光纜和光纖耦合器進(jìn)入到光電探測器，光電探測器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺娦盘柦?jīng)由信號處理單元，計(jì)算出風(fēng)速值。激光器是F-P激光器、DFB激光器或者寬帶光源。對波長以及帶寬沒有太大要求，激光能夠滿足在光纖中長距離傳輸?shù)木梢圆捎谩Ｈ鐖D2所示，所述風(fēng)速儀探頭包括轉(zhuǎn)軸7以及共同設(shè)置于轉(zhuǎn)軸7上的風(fēng)杯1和碼盤3，靠近碼盤3邊緣均勻設(shè)置一圈通光孔10，全部通光孔10圓心位于以轉(zhuǎn)軸7軸心為圓心的同心圓上；在碼盤3上下兩側(cè)設(shè)置光纖準(zhǔn)直器6和相應(yīng)的反射鏡5，光纖準(zhǔn)直器6發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。在轉(zhuǎn)軸7上設(shè)置有風(fēng)杯1。所述碼盤 3上的通光孔10數(shù)目為100個(gè)。在光纖準(zhǔn)直器6上連接有光纖尾纖8。這樣才能夠使得碼盤3轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)形成對激光的斬波效果。所述碼盤3上的同心圓數(shù)目為100個(gè)。如圖3所示，碼盤3周圍靠近邊緣處一圈均勻分布有多個(gè)通光孔10，這些通光孔 10是用于斬波，能夠?qū)す庑纬砷_-斷-開-斷的斬波調(diào)制作用。如圖2所示，激光通過光纜到達(dá)探頭后，經(jīng)由光纖尾纖8連接到光纖準(zhǔn)直器6 ；光纖準(zhǔn)直器6將光耦合到空氣中， 到達(dá)反射鏡5后被原路返回到光纖中，并通過光纜返回到光電探測器；當(dāng)碼盤3上的通光孔 10轉(zhuǎn)動(dòng)到光纖準(zhǔn)直器6與反射鏡5之間時(shí)，此時(shí)激光從光纖準(zhǔn)直器6中發(fā)出，被反射鏡5反射，原路返回，中間無遮擋；當(dāng)碼盤3上的通光孔10不在光纖準(zhǔn)直器6與反射鏡5中間時(shí)， 激光被碼盤3隔斷，從而無反射光。信號處理時(shí)，分析獲得的脈沖信號，通過脈沖周期大小以及碼盤通光孔的個(gè)數(shù)來計(jì)算風(fēng)杯轉(zhuǎn)速，再根據(jù)風(fēng)杯轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的關(guān)系來計(jì)算出風(fēng)速值。例如當(dāng)碼盤為100個(gè)通光孔時(shí)，如果檢測到的方波信號為10個(gè)方波/秒，則說明此時(shí)的風(fēng)杯轉(zhuǎn)速為0. 1轉(zhuǎn)/秒；如果每1米/秒的風(fēng)速對應(yīng)風(fēng)杯1. 5轉(zhuǎn)/秒，則此時(shí)轉(zhuǎn)換為風(fēng)速值為0. 15米/秒。
權(quán)利要求1.一種風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，它包括激光器以及與之光連接的光纖耦合器和風(fēng)速儀探頭，光纖耦合器還與光電探測器光連接，光電探測器與信號處理電路電連接，其特征是所述風(fēng)速儀探頭包括轉(zhuǎn)軸以及共同設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上的風(fēng)杯和碼盤，靠近碼盤邊緣設(shè)置至少一個(gè)通光孔，在碼盤上下兩側(cè)正對通光孔設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和相應(yīng)的反射鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，其特征是激光器是F-P激光器、DFB 激光器或者寬帶光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，其特征是所述通光孔在碼盤上均勻設(shè)置一圈，全部通光孔圓心位于以轉(zhuǎn)軸軸心為圓心的同心圓上，準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，其特征是所述碼盤上的通光孔數(shù)目為100個(gè)。
5.一種風(fēng)速探頭，它包括轉(zhuǎn)軸，其特征是在靠近設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上的碼盤邊緣碼盤邊緣設(shè)置至少一個(gè)通光孔，在碼盤上下兩側(cè)正對通光孔設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和相應(yīng)的反射鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)速探頭，其特征是在轉(zhuǎn)軸上設(shè)置有風(fēng)杯。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的風(fēng)速探頭，其特征是所述通光孔在碼盤上均勻設(shè)置一圈，全部通光孔圓心位于以轉(zhuǎn)軸軸心為圓心的同心圓上，準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的風(fēng)速探頭，其特征是所述碼盤上的通光孔數(shù)目為100個(gè)。
專利摘要一種風(fēng)杯式光纖風(fēng)速檢測儀，它包括激光器以及與之光連接的光纖耦合器和風(fēng)速儀探頭，光纖耦合器還與光電探測器光連接，光電探測器與信號處理電路電連接，其特征是所述風(fēng)速儀探頭包括轉(zhuǎn)軸以及共同設(shè)置于轉(zhuǎn)軸上的風(fēng)杯和碼盤，靠近碼盤邊緣均勻設(shè)置一圈通光孔，全部通光孔圓心位于以轉(zhuǎn)軸軸心為圓心的同心圓上，在碼盤上下兩側(cè)設(shè)置光纖準(zhǔn)直器和相應(yīng)的反射鏡，準(zhǔn)直器發(fā)出的光線與同心圓所在平面垂直并與同心圓圓周相交。
文檔編號G01P1/00GK202230099SQ20112029262
公開日2012年5月23日 申請日期2011年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月12日
發(fā)明者倪家升, 孫智慧, 寧雅農(nóng), 張曉磊, 王昌, 王紀(jì)強(qiáng), 閔力, 雷濤 申請人:山東省科學(xué)院激光研究所